【摘要】本文以一種寬帶行波管發(fā)射機(jī)為例，通過(guò)分析其結(jié)構(gòu)組成論證如何使得行波管發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與配置達(dá)到最合適最可靠的效果。確保行波管能夠工作在最佳的理想狀態(tài)進(jìn)而達(dá)到提高發(fā)射機(jī)可靠性的目的。

【關(guān)鍵詞】發(fā)射機(jī)；行波管；可靠性

1.引言

行波管作為微波式真空電子器件當(dāng)中的一種常見(jiàn)管型，具備高功率、大增益、寬頻帶與低噪聲等各種實(shí)際特點(diǎn)，能夠廣泛地運(yùn)用在雷達(dá)、電子對(duì)抗與通信等各個(gè)重點(diǎn)工程領(lǐng)域。然而因?yàn)樾胁ü艿臉?gòu)造與相應(yīng)的供電電路具有復(fù)雜、電壓高及功率大的特點(diǎn)，實(shí)質(zhì)的應(yīng)用環(huán)境通常為惡劣的狀況，所以行波管發(fā)射機(jī)的可靠性已經(jīng)視為一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題。

2.行波管發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

行波管發(fā)射機(jī)通常由寬帶行波管、各級(jí)電源系統(tǒng)、調(diào)制器、控保電路與冷卻系統(tǒng)等部分構(gòu)成，假如其中的任意一個(gè)電路或者元器件失效就可能引起整個(gè)發(fā)射機(jī)的故障發(fā)生。所以其相應(yīng)的可靠性模型表現(xiàn)為串聯(lián)系統(tǒng)的形式，失效率λ應(yīng)為各個(gè)實(shí)質(zhì)單元的失效率λi的和，即表示為λ=∑λi。

3.行波管發(fā)射機(jī)可靠性的提高方法

行波管是整個(gè)發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵元器件，行波管設(shè)計(jì)的可靠性很大程度上決定了發(fā)射機(jī)工作的可靠性。本文所提的行波管發(fā)射機(jī)應(yīng)用于一種電子對(duì)抗設(shè)備，要求行波管能在寬頻段、大占空比（90%）的條件下進(jìn)行工作。發(fā)射機(jī)的全部設(shè)計(jì)工作都應(yīng)當(dāng)圍繞著行波管而實(shí)行的，即怎樣為行波管配置最合理可靠的各個(gè)電極電源、完善高效的控制保護(hù)與理想的熱環(huán)境設(shè)計(jì)，確保行波管工作于最理想狀態(tài)進(jìn)而提升行波管的可靠性。

3.1 高壓電源系統(tǒng)

本發(fā)射機(jī)的高壓電源系統(tǒng)（包括整流電源、逆變電源、高壓電源）采用相控整流方式+全橋串聯(lián)諧振變換器電路。由于開(kāi)機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電流，因此采用相控整流方式實(shí)現(xiàn)緩沖開(kāi)機(jī)，以減少浪涌；由于高壓電源的功率較大，采用全橋電路，橋路電流及工作頻率都不是很高，有利于電源的熱設(shè)計(jì)。降壓收集極行波管的螺旋線(xiàn)高壓和收集極高壓的供電采用了行波管串聯(lián)供電方式簡(jiǎn)化了發(fā)射機(jī)的電路，提高了可靠性。

加高壓時(shí)當(dāng)調(diào)制開(kāi)關(guān)剛開(kāi)通，正偏電源加載在行波管上時(shí)，發(fā)射機(jī)高壓就跳閘。分析認(rèn)為：收集極電源此時(shí)由空載突然變成滿(mǎn)載，引起儲(chǔ)能電容電壓下降，由于采用的是串聯(lián)供電方式，導(dǎo)致陰極電壓隨之下降造成欠壓保護(hù)?？傊莾?chǔ)能電容容量不夠和高壓電源瞬間無(wú)法適應(yīng)從空載到滿(mǎn)載的快速變化導(dǎo)致的。增大了儲(chǔ)能電容又有可能在行波管打火過(guò)程中產(chǎn)生放電能量過(guò)大而出現(xiàn)行波管燒壞的問(wèn)題。最終我們?cè)诟邏簝?chǔ)能電容器和行波管之間串聯(lián)RY型金屬氧化膜電阻作為限流電阻以限制打火時(shí)的能量，很好的解決了這一問(wèn)題。

3.2 各級(jí)輔助電源

燈絲電源采用恒壓、限流工作，其正極接行波管的陰極，負(fù)極接行波管的燈絲。由于行波管燈絲在冷態(tài)時(shí)的阻抗很低（約為熱態(tài)時(shí)的五分之一），為確保在每次開(kāi)機(jī)工作時(shí)，避免燈絲過(guò)電流而產(chǎn)生過(guò)熱沖擊，燈絲電源采用限流工作方式。

陽(yáng)極電源供給行波管陽(yáng)極的電源，該電源為高壓小電流電源，其技術(shù)指標(biāo)為：電壓：-1500～0V，電流是μA量級(jí)。由于陽(yáng)極電源變化時(shí)行波管的輸出功率會(huì)發(fā)生變化，要求穩(wěn)定度高，采用高頻高壓開(kāi)關(guān)電源。

正負(fù)偏電源要求輸出電壓為2.0KV，輸出功率為30W。若采用Boost電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，則主電路開(kāi)關(guān)管的耐壓?jiǎn)栴}不好解決，故決定采用電路簡(jiǎn)單的單端式隔離電源。

3.3 調(diào)制器

對(duì)于行波管，如果施加高壓而不存在負(fù)偏電壓時(shí)，行波管有可能發(fā)生毀壞。所以無(wú)論出現(xiàn)哪種故障都不可以切斷負(fù)偏電源，應(yīng)當(dāng)確保負(fù)偏電源始終維持在工作狀態(tài)。調(diào)制器采用能輸出理想波形的MOSFET浮動(dòng)板調(diào)制器，它既可實(shí)現(xiàn)脈沖重復(fù)頻率的大范圍變化，又能實(shí)現(xiàn)脈沖寬度的大范圍變化，具有脈沖波形前、后沿好，驅(qū)動(dòng)電流小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜脈沖波形的快速轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)。

3.4 控制與保護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)發(fā)射機(jī)實(shí)際情況，選用OMRON公司的CJ1型工業(yè)控制器（以下稱(chēng)PLC）作為邏輯控制器，該P(yáng)LC選用模擬量輸入模塊，主控需要的模擬量信號(hào)通過(guò)通訊口送出，在近距離的情況下PLC與主控通過(guò)RS422串行接口通訊。監(jiān)控保護(hù)電路本身可靠，故障判斷和定位準(zhǔn)確，能及時(shí)保護(hù)貴重元器件（如行波管等），避免虛假的動(dòng)作，確保每步動(dòng)作準(zhǔn)確有效。

3.5 合理的結(jié)構(gòu)、熱與環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

行波管發(fā)射機(jī)相應(yīng)的高壓、高熱耗與惡劣的工作環(huán)境，促使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)與環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)顯得非常重要。整個(gè)發(fā)射機(jī)柜密封，對(duì)散熱的要求很高，采用了二次冷卻的方式，在機(jī)柜的后面裝上換熱器，通過(guò)風(fēng)扇將機(jī)柜內(nèi)的熱風(fēng)抽到換熱器內(nèi)，使熱風(fēng)和換熱器內(nèi)的散熱翅片進(jìn)行熱交換，最后通過(guò)水冷將翅片上的熱量帶走。水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)成當(dāng)高溫時(shí)能夠給換熱器提供冷水，提高發(fā)射機(jī)箱的散熱效率；當(dāng)?shù)蜏氐臅r(shí)候能夠給換熱器提供熱水，給發(fā)射機(jī)箱快速的加熱，保證發(fā)射機(jī)內(nèi)的關(guān)鍵器件如：PLC、相控整流模塊等的正常工作，其中水冷系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)水溫和環(huán)境溫度。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文在提高發(fā)射機(jī)可靠性的措施從以下幾方面著手：完善了密封發(fā)射機(jī)柜的熱設(shè)計(jì)，降低了器件的結(jié)溫，提高了行波管和高壓電源系統(tǒng)的散熱效率；采取適度的功率器件降額使用，提高了冗余度，同時(shí)限制打火的能量和電源快速保護(hù)，降低打火后對(duì)發(fā)射機(jī)電路產(chǎn)生的應(yīng)力確保在發(fā)生打火后發(fā)射機(jī)能夠重新恢復(fù)開(kāi)機(jī)。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭新，李文輝，潘厚忠.雷達(dá)發(fā)射機(jī)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2]蘇振華，楊家鏗，張?jiān)稣?行波管可靠性失效率模型的研究[J].真空電子技術(shù)，1997（6）.

[3]鐘國(guó)儉.行波管失效分析及其發(fā)射機(jī)可靠性的提高[J].雷達(dá)與對(duì)抗，2007（3）.

[4]范鵬等.一種TWT串聯(lián)供電電源的研究[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2008，30（8）.

[5]張峻嶺.行波管發(fā)射機(jī)電源設(shè)計(jì)中保護(hù)電路的應(yīng)用[J].艦船電子對(duì)抗，2006，29（3）.

作者簡(jiǎn)介：張偉（1981—），男，貴州畢節(jié)人，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)供職于中電科第38研究所，研究方向：真空發(fā)射技術(shù)。